[논문 리뷰] D2D User Selection For Simultaneous Spectrum Sharing And Energy Harvesting

Mansi Peer, Vivek Ashok Bohara외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 05.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 네트워워크에서 동시에 스펙트럼 공유와 에너지 수확을 가능하게 하는 하이브리드 시간 스위칭 및 파워 스플릿팅 프로토콜을 제안한다. 최대 에너지 수확량과 가장 높은 도달 가능한 전송률을 가진 D2D 사용자를 선택함으로써, 시스템은 셀룰러 사용자에 대한 아웃리지 성능을 향상시키면서 신뢰할 수 있는 디코딩 앤 포워딩 중계를 보장한다. 폐쇄형 아웃리지 확률 식은 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

This paper presents a device-to-device (D2D) user selection protocol wherein multiple D2D pairs coexist with a cellular network. In the developed framework, certain D2D users harvest energy and share the spectrum of the cellular users by adopting a hybrid time switching and power splitting protocol. The D2D user which harvests the maximum energy and achieves the desired target rate for the cellular communication is selected to serve as a decode-and-forward (DF) relay for the cellular user. The proposed work analyzes the impact of increase in the number of D2D users on the performance of cellular user as well as derives an upper bound on the time duration of energy harvesting within which best possible rate for cellular user can be obtained. The performance of the proposed protocol has been quantified by obtaining the closed form expressions of outage probability.

연구 동기 및 목표

• 셀룰러 사용자에 대한 채널 조건이 열악한 상황에서 셀룰러 네트워크 성능을 향상시키는 데 도전하는 것.
• D2D 장치에서 RF 신호로부터 에너지 수확을 가능하게 하여 지속 가능하고 녹색 통신을 지원하는 것.
• 중계 선택을 위해 에너지 수확과 도달 가능한 전송률을 동시에 최대화하는 D2D 사용자 선택 프로토콜을 개발하는 것.
• 하이브리드 에너지 수확 및 스펙트럼 공유 환경에서 D2D 사용자 수 증가가 셀룰러 및 D2D 아웃리지 성능에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 제안된 프로토콜 하에서 셀룰러 및 D2D 링크의 아웃리지 확률에 대한 폐쇄형 식을 유도하는 것.

제안 방법

• D2D 송신기에서 하이브리드 시간 스위칭 및 파워 스플릿팅 프로토콜을 적용하여 동시에 에너지 수확과 정보 전송을 가능하게 한다.
• 셀룰러 사용자에 대해 최대 에너지 수확량과 가장 높은 도달 가능한 전송률을 가진 D2D 사용자를 디코딩 앤 포워딩(DF) 중계로 선택한다.
• 인바운드 D2D 환경에서 셀룰러 및 D2D 전송 간 간섭을 완화하기 위해 오р토곤럴 타임 액세스를 사용한다.
• 통계적 채널 모델을 활용하여 아웃리지 확률에 대한 폐쇄형 식을 유도하며, Nakagami-m fading 및 지수 분포를 포함한다.
• 기지국(BS), 셀룰러 사용자(CU), N개의 D2D 쌍을 포함하는 시스템 모델을 구성하며, 선택된 D2D 사용자는 이중호프 DF 프로토콜을 통해 셀룰러 신호를 중계한다.
• 에너지 수확 시간 비율(α), 파워 스플릿팅 요소(ρ), 목표 데이터 전송률과 같은 핵심 파라미터를 분석적으로 모델링하여 아웃리지 성능의 경계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스펙트럼 공유 환경에서 에너지 수확이 가능한 상황에서 D2D 사용자 수 증가가 셀룰러 사용자 아웃리지 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 하이브리드 프로토콜 하에서 셀룰러 사용자에 대한 도달 가능한 전송률을 최대화하기 위한 최적의 에너지 수확 시간(α)은 얼마인가?
• RQ3 파워 스플릿팅 요소(ρ)는 셀룰러 및 D2D 링크의 아웃리지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 D2D 사용자 수 증가가 더 이상 셀룰러 아웃리지 성능 향상에 기여하지 않는 에너지 수확 시간(α)의 상한은 얼마인가?
• RQ5 제안된 하이브리드 프로토콜 및 사용자 선택 방식 하에서 셀룰러 및 D2D 링크의 아웃리지 확률에 대해 폐쇄형 식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• D2D 사용자 수(N) 증가에 따라 셀룰러 네트워크의 아웃리지 확률이 감소한다. 이는 충분한 에너지 수확량과 양호한 채널 조건을 가진 D2D 사용자를 선택할 가능성이 높아지기 때문이다.
• ρ = 0.75일 경우, 에너지 수확 시간 비율(α)의 상한은 α = 0.5이다. 이 값을 초과하면 직접 링크(BS와 CU 간)가 상실되어 아웃리지 확률이 1로 증가한다.
• D2D 네트워크의 아웃리지 성능도 N 증가에 따라 향상되며, 선택 다각도가 높은 용량과 충분한 전력의 D2D 중계를 선택할 가능성이 증가하기 때문이다.
• 유도된 아웃리지 확률 폐쇄형 식(식 22)은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 이론적 결과와 시뮬레이션 결과 간 강한 일치를 보였다.
• 고정된 시간 또는 고정된 파워 스플릿팅 방식보다 하이브리드 프로토콜이 시간과 파워를 비균형적으로 분배함으로써 셀룰러 및 D2D 사용자에 대한 QoS 최적화를 가능하게 하여 우수한 성능을 발휘한다.
• 단일 오р토곤럴 채널만 필요로 함에도 불구하고, 전통적인 다중 오르토곤럴 채널을 사용하는 협력 다각도 성능과 유사한 아웃리지 성능을 달성한다.